Overview
ソース: タマラ ・ m ・力、化学科テキサス A & M 大学
X 線結晶構造解析、分子の構造を研究する x 線を使用する手法です。X 線回折 (XRD) 実験は、単結晶または粉末サンプル実施定期的に。
単結晶 x 線回折:
単結晶 x 線回折は、絶対構造決定が可能です。単結晶 x 線回折データを正確な原子位置観察することができる、従って付着長さと角度を決定することができます。この手法は、材料のバルクを必ずしも表していない単結晶内の構造を提供します。したがって、id および化合物の純度を証明するために追加一括評価手法を利用する必要があります。
粉末 x 線回折:
単結晶 x 線回折とは異なり粉末 x 線回折、多結晶材料の大規模なサンプルを見て従って一括評価法と考えられます。粉末パターンの特定の材料の「指紋」である相 (多形) および材料の結晶性に関する情報を提供しています。通常、粉末 x 線回折は、鉱物、ゼオライト、有機金属フレームワーク (Mof)、他の拡張の固体の研究に使用されます。粉末 x 線回折は、バルク分子種の純度を確立するも使用できます。
以前は、我々 は x 線質結晶 (有機化学の必需品シリーズのビデオを参照してください) を成長する方法を見てきました。ここで x 線回折の原理を学習します。Mo2単結晶と粉末の両方のデータを収集しますし (ArNC(H)NAr)4、どこ Ar p- MeOC6H5を =。
Principles
なぜ x 線?
距離を測定する場合、測定対象オブジェクトのスケールには、メジャーの単位を選択することが重要です。たとえば、鉛筆の長さを測定する 1 つたくない足のグラデーションはヤードの棒を使用します。同様に、車の長さを測定する場合は、ことがない適当 cm マークで 12 インチの定規を使用します。したがって、分子の結合を検討するために、これらの債券の長さに一致する光の波長を使用することが重要です。X 線は、典型的な結合距離 (1-3 Å) と完全に一致する Å の範囲で波長を持っています。
単位セル:
ペンの先端に分子のすべてを説明しようと想像してください。1 つは、6.02 × 10 の23の分子 (または 1 モル) で構成されていますが、近似場合、分子レベルでそのオブジェクトを記述するためほぼ不可能に思えます。オブジェクトの複雑さは、それが全体の構造を記述するための単位セルの内容を使用できます、結晶として存在する場合に簡略化されます。結晶の単位格子は、固体の繰り返しの単位を含む少なくともボリュームです。3 D の長さ a、b の「ボックス」として定義されていると c、および角度 α、β および γ (図 1)。単位セルでは、化学者の一部を使用して結晶または少数の原子または得たの内容を記述することができます。宇宙の単位セルを繰り返すことによって 1 つは固体の 3 D 表現を生成できます。
図 1.単位セル パラメーターを指定します。
実験のセットアップ:
単結晶および粉末 x 線回折と同様の計測器設定があります。単結晶 x 線回折用結晶がマウントされ、x 線ビームの中央に配置。粉末 x 線回折、結晶サンプルは微粉末に粉砕、プレートにマウントされています。サンプル (シングル - または多結晶) は x 線照射によるし、回折 x 線検出器を打ちます。データ収集中は、x 線源と検出器に対してサンプルを回転します。
二重スリットの実験:
光が両方の波および粒子状プロパティを思い出してください。とき単色光は、2 つのスリット、各スリットから球状のファッションで発せられる光に光の結果の波のようなプロパティを入力します。波が対話するとき彼らは一緒に追加できます (波は、同じ波長と位相を持っている) 場合お互いのキャンセル (波は同じ波長があるが、さまざまな段階がある) 場合、それぞれ建設と破壊的な干渉と呼ばれます。結果光のパターンは、一連の線、暗い部分が破壊的な干渉の結果、明るい領域が建設的な干渉を表す製です。
典型的な回折パターン: 単結晶と粉末:
X 線による結晶の照射、放射線を回折結晶内電子密度との相互作用に。水の建設と破壊的な干渉の結果古典的な二重スリット実験物理学、x 線回折からの波の相互作用と同様します。X 線回折、回折パターンは、原子と結晶内の結合のための電子密度を表します。(図 2) に単結晶の典型的な回折パターンを示します。回折パターンは二重スリット実験のような線ではなく点で構成されることに注意してください。実際には、これらの「点」は、3 次元球の 2D スライスが。Crystallographers では、コンピュータ プログラムを使用して、図形と回折 x 線の強度を決定するために結果のスポットを統合します。粉末試料の x 線は、ランダムな方向に多くの小さな結晶と対話します。したがって、代わりに観光スポットを見て、円形回折パターンに (図 3) が観察されます。回折円の強度は、粉末パターンとして既知の 2 次元プロットを与えることビーム軸 (印 2 θ) リング間の角度に対してプロットされます。
ここでは、Mo2単結晶および粉末 x 線回折データを収集します (ArNC(H)NAr)4 Ar = pMeOC-6H5モジュール"の準備と評価の Quadruply-金属で合成しました。「化合物を結合
図 2 。単結晶回折パターン。
図 3.粉末 x 線回折: 円形回折パターン。
Procedure
1. 単結晶 x 線回折データを収集
- X 線回折のための適切な結晶を成長させます。詳細については、「成長結晶の x 線回折分析」有機化学の基本シリーズで、「準備評価の Quadruply 金属-金属結合化合物と」無機化学のビデオをご覧ください。シリーズ。
- スライド ガラスに paratone オイルの滴を追加します。ヘラと paratone オイルの少量を使用して、いくつかの結晶結晶を成長し、スライドに油の滴を追加するために使用バイアルからをスクープします。
- 顕微鏡で均一で明確に定義されたエッジを持つ結晶を選択します。
- 適切なマウントを使用して選択した結晶を拾う (ここでカプトン ループを使用)。確認それがマウントされると、クリスタルにこだわったオイルは最小限。
- 機器のドアを開きます。
- 計測器のゴニオ メーター ヘッドにマウントを取り付けます。
- センター x 線ビームの位置に関して結晶。
- 機器のドアを閉じます。
- APEX3 ソフトウェア スイートは、x 線結晶構造解析のためのグラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) を開きます。
- 短いデータ コレクション シーケンスを実行し、単位セルを決定します。
- 単位セルのデータに基づいて、データ収集戦略を選択して完全なデータ収集を実行します。
- 適切なプログラムを使用してデータの精密検査。ここで頂点 3 スイートで発生してしまうを使用します。
- 適切な GUI で構造を調整します。ここで我々 は OLEX2 で発生してしまうを使用します。
2. 粉末 x 線回折用試料ホルダーに粉体サンプルの読み込み
注: ここでは Si 結晶ゼロ背景ホルダーを使用します。材料の量が異なることができる代替試料ホルダーのさまざまながあります。Si 結晶ゼロ背景ホルダーはバック グラウンド ノイズから 20-120 ° (2 θ Cu 放射) を生成しません。
- Si 結晶の上に細かいメッシュのふるいを配置します。
- 約 20 mg のふるいの上にサンプルを注ぎ、必ずサンプルのほとんどはマウントの Si 結晶の真上。
- サンプルの単分子膜は Si 結晶表面をカバーするまで、ベンチの上にふるいをタップします。
- 試料ホルダーを外し、ホルダーにクリスタルを配置します。
3. 粉末 x 線回折パターンを収集
- 機器のドアを開きます。
- 楽器のサンプル ホルダーをマウントします。
- 司令官ソフトウェア スイート (粉末 x 線回折パターンを収集するためのプログラム) を開きます。
- 「ウィザード」タブで標準的なデータ収集スキャンをロードします。
- (20 分) のスキャンを実行する時間数を選択します。同じ角度の範囲にわたって長いスキャンを実行するより良い解決の粉末 x 線回折パターンが生成されます。
- (5-70 °) をスキャンする角度範囲 (2 θ) を選択します。選択された角度範囲は、材料によって異なります。ここに与えられる波長は、分子無機材料に適しています。
- データ コレクションを開始する「スタート」ボタンを押します。
X 線回折は、結晶の構造を決定する材料科学と生物化学で使用される一般的な手法です。
それは x 線の結晶構造を調べるため、パスをトレースします。2 つの主要な方法があります。粉末 x 線回折では、フェーズと結晶種の純度を決定します。単一の x 線回折は、結晶と場所と同様、電子密度、結合距離と角度原子を識別します。
このビデオでは、単結晶および粉末 x 線回折、x 線回折装置、手順の操作を示していて、いくつかのアプリケーションについて説明します。
X 線が結晶と対話する方法を探索して、結晶構造の概念を調べることから始めます。
結晶は、一定の間隔で繰り返す原子の幾何学模様は、原子の周期的な構成です。結晶の最小繰り返しの要素は「単位セル」と呼ばれるそれは、その充填構造、寸法および結合角度によって記述されます。「ミラー指数」は、単位セルの任意の架空の 2 次元断面をについて説明します。
X 線は、電磁波の波長が、結晶の原子間の間隔と同様の形式です。単一の x 線が個々 の原子を打つときは、回折です。2 つのコヒーレント x 線は、原子を打つ別の飛行機内、x 線回折干渉、建設的または破壊的な信号が発生します。
粉体結晶試料の回折パターンは、建設的な干渉のリングを形成する強烈なスポットで構成されます。これらの点が発生する角度は、その面内の原子の間隔に対応します。間隔は、ブラッグの法則を使用して決定できます。
今では私たちが学んだ結晶の x 線回折パターンは、x 線回折装置のしくみを見てみましょう。
X 線回折装置は 3 つの基本的なコンポーネントで構成されています: x 線源、試料と検出器。すべてのコンポーネントは、センターでサンプル ホルダーと同一平面上、円形の整理で並びます。ソースは通常、銅を含むターゲットと、電子によって砲撃されたとき平行 x 線を発する。ビームはサンプルでは、x 線の屈折で送られます。X 線強度の角度を決定するまで、試料と検出器は反対の方向で、回転しました。
X 線強度は単結晶と粉末 x 線回折で結晶面によって建設的な干渉に対応します。粉末 x 線回折は、単結晶 x 線回折はまた含有化学物質と原子の位置を明らかにしながら、サンプルの結晶構造を明らかにします。
今、x 線回折法の実用的な例を見てみましょう。
単結晶 x 線回折では、不純物、粒界や他の界面欠陥のない高品質結晶を必要があります。それを分析する顕微鏡に有機モリブデン化合物の結晶をもたらします。
きれいなガラスのスライドに paratone オイルの滴を追加することによって開始します。、ヘラに paratone オイルの少量を追加し、スライドに結晶バイアルからいくつかの結晶をスクープします。
顕微鏡で結晶を確認し、均一で明確に定義されたエッジを持つ結晶を選択します。理想的な結晶を選択すると、結晶、小さな結晶に付着を確保を拾うカプトン ループを使用します。
次に、サンプル.をロードする回折装置の扉を開くカプトン ループを中心に x 線ビームに対して結晶 gonoimeter ヘッドに取り付けます。
X 線結晶構造解析ソフトウェアを開き、単位格子の構造を確立します短いデータ コレクション シーケンスを実行します。このデータに基づいて、データ収集戦略を選択し、完全なデータ収集を実行します。完全なデータ セットが収集されると、適切なプログラムを使用してデータを操作し、それを絞り込みます。
単結晶 x 線回折法と比較すると粉末 x 線回折、結晶を必要としない一括評価手法です。
適切なサイズのサンプル ホルダーおよび興味の角度で測定値は影響しません回折プレートを選択します。
回折プレートに細かいメッシュのふるいを置きます。慎重にふるい、板の上、サンプルを維持する 20 mg のサンプルを追加します。粉末形態の単分子膜までベンチトップふるいをタップします。
サンプル ホルダーに回折プレートを固定します。回折装置の扉を開くし、サンプルをマウントします。サンプル マウントにピンをロックがある場合、ピンが従事しているサンプル ホルダーはドアを閉める前に安全を確認します。
適切なソフトウェアを使用して、標準的なデータ収集方法を読み込みます。材料に適したスキャン角度の範囲を入力します。スキャン時間; を入力します。以上の解像度、スキャンにより長い時間ことができます。「開始」を押します。
今、有機モリブデン錯体の単結晶および粉末 x 線回折から得られた結果を比較してみましょう。
単結晶 x 線データから実験的決定結合距離と構造の中で角度取得に用いられる電子密度マップの構造モデルが生成されます。
さらに、粉末 x 線回折は、化合物に関する追加情報を提供します。スペクトルの平坦な基線は、湾曲したベースラインは非晶質材料を示しているに対し、使用サンプルは高結晶性を示します。
X 線回折は材料科学のほぼ全ての分野で貴重な評価ツールであり、したがって多様なアプリケーションで役割を果たしています。
芸術作品がどのように作り出され、彼らが腐食する理由について遺産アート保全の主要なコンポーネントが含まれます。X 線回折法の最近の進歩は、破壊的 1 mg 未満のサンプルをテストすることによって腐食を研究します。腐食生成物はほとんど単結晶、粉末 x 線回折が必要です。典型的な分析は、20 時間以上を 2 θ 5 85º 度の間で発生します。結晶内の原子の位置は場所と化学攻撃の性質に洞察力を提供するアルゴリズム、最適化可能性があります。
フィルム厚さミクロン ナノメートルに至る材料のバルク材料とは異なるユニークな保護、電気および光の能力があります。X 線回折では、膜厚、密度、および表面のテクスチャについて説明します。膜応力と映画失敗や破損の可能性を決定するものです。吸収は主として結晶構造に依存するので、膜の光の行動を特徴づけることができます。したがって、薄膜光センサーや太陽電池セルの特性評価に使用されます。
ゼウスの単結晶および粉末 x 線回折入門を見てきただけ。X 線回折, 回折パターン、およびいくつかのアプリケーションを取得するための手順の原則に精通している必要がありますできます。いつも見てくれてありがとう!
Results
図 4。Mo2の結晶構造 (ArNC(H)NAr)4 Ar p- MeOC6H5を =。
図 5。Mo2の粉末 x 線回折パターン (ArNC(H)NAr)4 Ar p- MeOC6H5を =。
Applications and Summary
このビデオでは、単結晶と粉末 x 線回折の違いについて学びました。Mo2単結晶と粉末の両方のデータを収集 (ArNC(H)NAr)4、ここ Ar p- MeOC6H5を =。
単結晶 x 線回折は、分子の絶対構造を提供することができます強力な評価手法です。構造決定は x 線回折を使用して、最も一般的な理由の化学者が、様々 な異常散乱、photocrystallography、分子についてより多くの情報を提供するなどの特別な x 線技術があります。
異常散乱は、同じような分子量の原子を区別できます。この手法は評価性混合金属金属錯体 (id が異なる 2 つ以上の金属原子を持つ化合物) のため特に貴重です。異常散乱も使用されていますタンパク質結晶構造解析の手法として構造決定のために重要である回折ビームの位相を解決するために。
Photocrystallography には単結晶 x 線回折と光化学結合が含まれます。固体状態における光とサンプルを照射することにより小さな構造変化を観察し、x 線回折によってこれらの変更を監視できます。この手法の例は、反応中間体の特性と同様、光によって分子の異性化反応を観察することを含みます。
粉末 x 線回折は、サンプルの結晶性に関する情報を得るために使用することができます非破壊評価方法です。さらに、異なる材料の混合物を分析する便利な方法です。前述したとおり、粉末パターン、指紋のようなもの: 化合物の結果のパターン、材料内の原子の配置方法によって異なります。したがって、実験的に決定粉末パターンは知られている回折パターンの材料のコレクションと比較すること、回折データのための国際センターです。これは隔離された、製品の id に関する情報を提供だけでなく、科学者化合物、サンプルで現在の数についてコメントすることができます。回折パターンの大半に記載されているデータベースの拡張の固体鉱物、ゼオライトなどの家族は、無機分子の例を見つけることができます。
